[24电源] 关于飞机交流电源并联和不间断供电

我们基地某机型飞机航前从地面电源切换到APU电源或由APU供电切换到外电源时会出现，会发生综合处理机柜IPC中断供电，导致 IPC 重启，并短暂出现 IPC MISCONFIG ，FLT CTRL NO DISPATCH 等 CAS 信息。同样A320电源切换时，因汇流条出现电源中断，系统计算机出现自动启动和上电测试。注意：系统计算机只能在地面启动加电测试，在加电测试期间，系统计算机无法运行。目前厂家和空客公司针对飞机从地面电源切换到APU电源时出现的数字系统重启问题还不能给出令人满意的解决方案。

当时了解到各航空公司摸索出来的办法就是航前启动APU来保障供电，推出后直接将APU电源切换到发动机IDG供电，此转换时间较短可以避过数字电路受电源中断的影响的门槛时限（小于50毫秒）。所以切换时间是双电源切换系统性能的一个重要参数。我认为目前优化飞机双电源切换系统的策略有：

如图1采用加速闭合断路器，闭合时由K1线圈执行，线圈电流较大，快速闭合。闭合后K1，K2线圈串联供电，减小线圈电流把断路器锁定在闭合位。

高质量的电源和开关设备能够减少切换过程中的电力波动和电磁干扰，提高供电的稳定性和可靠性。在选择设备时，应充分考虑其性能参数和兼容性。

通过优化控制逻辑和算法，可以实现更快速、更平稳的电源切换。例如，采用先进的检测技术来实时监测电源状态，并在必要时迅速切换电源，以减少供电中断的时间。

然而，要从根源上解决电源切换过程出现的间断问题就必须把需要切换的两个交流电源先并联运行，然后再断开被替换的电源以实现电源不间断转换。那么对于装有IDG发电机的C909,737NG,A320和A330飞机，在地面能否进行电源并联从而实现不间断供电呢？接下来我将进行详细分析，希望能给大家一个明确的观点和结论。

在我们对飞机交流电源并联工作进行分析和探讨前，我们先来看一下发电厂同步发电机是如何并网运行的，并网前需要具备哪些条件以及常用的并网方法。因为电力系统从火电、水电到风能、太阳、核能发电，经历了一个漫长的发展时期，目前它已经发展成为了一个非常成熟和完整的体系。我们可以通过对发电厂这套体系的学习来对飞机交流电源并联运行进行一个触类旁通的认知。

我们知道发电厂的发电机都是并联运行的，并联运行的优点就是可以实现不间断供电以提高供电质量和供电的可靠性，还可以根据负荷情况调整工作的发电机数量以提高经济效益。图二是某水力发电厂6台发电机并联运行的电气主接线图。

发电厂主接线的基本环节是电源和母线（飞机上称为汇流条），母线是连接电源和出线的中间环节，起着汇集分配电源的作用。

发电机并联运行的前提是电网已经有一台或多台发电机在供电，也就是电网已经带电，所以我们把后续并入发电机的过程也称为并网。待并网的发电机经过频率和相位同步追踪后达到与网络频率和相位同步时闭合断路器完成并网。

对同步发电机并网的要求是，在并联的时候必须避免产生巨大的冲击电流，损坏同步发电机，干扰电网。因此并网的前提条件是发电机和电网：电压相等、频率相等、相位相同，相序一致。断路器闭合之后，如果有电压差存在，会在发电机与电网组成的回路当中产生冲击电流。那如果发电机和电网的频率不相同，两个电压矢量不能同步转动，断路器闭合后的两端也会存在电位差与冲击电流，这两端电压之间的相位差会从0~360°之间不断的变化，二者电压的差值忽大忽小，容易造成功率震荡、机械振动等后果。这里需要强调一下，如果二者的电压和频率偏差差都不大，给发电机造成的冲击电流可以承受，仍然是可以并网成功。这或许就是空客A330采用NBPT（No Break Power Transfer）不间断电源传输的理论依据吧。那么相序不同就相当于自然产生120度相位差，断路器两端是线电压，这会产生巨大的冲击电流，因此相序不同是绝对不允许并网的。

在进行并网操作时发电机和电网电压的幅值可以借助电压表来测量，而频率和相位是否一致，通常借助同步指示器来确定。同步指示器的核心元件就是三支大灯如图三

我们通过学习“如何使用灯光明暗法来操作发电机并网”这部分内容，可以让我们直观的了解早期发电厂发电机常用的并网方法。

灯光明暗法是将三个指示灯接到发电机和电网的对应相之间，如图三，这时灯泡两端的电压就是发电机端电压与电网电压的向量差。

只要两端的电压幅值或者相位不相同，灯的两端就会出现电位差，灯就会亮。如图四相位差△Φ，电位差△Ⅴ。

反之，灯泡变暗则是因为在某个时刻，两端的电压幅值和相位非常接近，如图五

如果灯泡不是明暗交替，比如说是常亮的，说明两端电压幅值有差值，则需要调节发电机励磁电流，改变发电机的输出电压，直到使发电机电压的幅值与电网电压近似相等，才能出现灯光忽明忽暗的情况。 如图六

如果发电机和电网的相序不同，相当于灯泡不是接在对应的像上，而是接在不同的相之间。如图七,如果把发电机输出A相和C1相连接，C相和A1相连。

这时，三个灯泡的亮度是不可能同时变化的，不可能同时变亮和变暗。所以，如果三个灯泡亮度变化不是同步的，则需要调整接线改变相序，严格保证相序一致。

在两端相序一致、电压相等后，因为发电机和电网的频率总会有差别，两个电压之间的相位差会规律性的变化，体现在灯泡上就是灯的忽明忽暗，而且频率相差越大。两个向量之间相对运动的速度就越快，灯光的明暗变化也就越快。所以当我们观测到灯光明暗交替的速度比较快的时候，则需要调节发电机的转速，使发电机的频率逐渐接近电网频率。如图八

这样发电机和电网两个电压向量之间相对旋转运动的速度也会越来越慢，灯光的明暗交替也会越来越缓慢。当两个电压向量完全重合的时候，灯光熄灭，这时也是合闸并网的最佳时刻，此刻合上刀闸就完成了发电机并网工作。如图九

在并机合闸之后，也就是并网成功之后，控制系统的任务就转变为负载分配，包括有功功率和无功功率的分配。有功功率P=UIcosφ,表示有电能转换为其它形式能量：如热能，机械能等，如电阻，电动车。无功功率Q=UIsinφ,表示电能在电感性元件和电容性元件间进行磁场能和电场能周期性转换而没有被消耗，如变器、电动机绕组。

并网时电压相等、频率相等、相位相同是理想情况。在实际运行中发电机与电网电压、频率和相位都会存在偏差，运行要求一般电压偏差值设置在1%~5%之间，频率差应该控制在0.1Hz之内，相位差设置在5°~7°之间，早期并机控制系统的精度不高，相位差允许设置到10~15°。偏离理想条件会引起并机合闸时的冲击，分为三种情况，第一，频率差引起的冲击主要为有功分量，有功功率的流向是频率高的流向频率低的，第二，相位差也是引起有功分量的冲击，有功功率是相位超前的流向相位滞后的。第三，电压差引起无功分量的冲击，无功功率的流向是由电压高的流向电压低的。

说到这里，我们已经对发电机并网的条件和并网的操作过程有了一定的认识和了解，也就是首先网络和并网的发电机必须运行平稳，电压和频率不会出现明显的波动；第二并网的发电机要具备转速和励磁可调的能力；第三就是并网前发电机与电网的电压、频率、相位差在允许范围内。在火电厂驱动发电机运转的蒸汽轮机和水电厂的水轮机转速和励磁都被精准和稳定的控制，所以发电机厂输出的电源电压和频率都非常稳定。

从上面三点来看我们的地面电源、APU电源、发动机发电机电源都是不能并联运行的。

对于我们飞机发动机来说，由于其本身在滑行、起飞、巡航各阶段转速变化范围较大，加上恒速驱动机构CSD机械变速自身限制，发电机不可能稳定在某一转速上。我们看737NG它允许的工作电压范围是101至130伏之间，允许的频率范围是375-425赫兹之间，A320 IDG发电机允许的工作电压范围100至130伏之间，允许的频率范围是363至433赫兹之间。显然如此大的电压和频率变化范围以至于双发的发电机相位差在0-360度之间变化不停，电压差值也不停变化。这能找到符合要求的并机时刻吗？再者如果我们能够等待到两台发电机电压相等、频率相同、相位相同这一符合并机时刻，并把两发电机并联在一起，这两台不同发动机驱动的发电机会同步行动，步调一致运转吗？显然是不行的，如果强制并联，最终这两台转速受制于CSD调速机构控制的发电机因速度不断波动变化，对网络和发电机自身都会受到有功功率和无功功率相互冲击，并造成网络振荡使供电系统无法正常运行。所以说飞机上IDG构型的两台发动机发电机是不能并联运行的。这就是IDG构型的宿命。

同样737NG APU和A320 APU电源正常工作允许的电压和频率变化范围和IDG发电机是一样的，同样由于737NG和A320 APU发电机电压和频率均不可调，我们无法得到并机条件要求的：电压相等，频率相同，相位相同。所以飞机在地面我们也无法实施737和A320系列飞机APU电源和地面电源并联运行。

1992年11月2日，空客双发中远程客机A330-300完成了首飞。我认为A330电源系统相对于A320来说最大的亮点是实现了电源不中断切换（NBPT）。下面我们就来看一下NBPT在A33-300飞机上是如何运行的。

图十是A330飞机电源的交流部分。

图中：GCU1控制GLC1；GCU2控制GLC2；

GAPCU控制APU GLC、EPCB、EPCA；

ECMU1控制GLC1、BTC1、EPCB、APU GLC、SIC；ECMU2控制GLC2、BTC2、EPCA。

-对于交流汇流条1:GEN 1 / APU GEN / EXT B / EXT A / GEN 2;

-对于交流汇流条2:GEN 2 / EXT A / APU GEN / EXT B / GEN 1。

注:在地面上，APU发电机和外部电源A可以同时使用。它这种地面勤务供应仅通过外部电源A的直接连接进行。外部电源EXT PWR B不能接通勤务电。

针对电源在地面切换时飞机网络出现供电中断这一问题，空客公司在A330这一宽体客机上采用了将需要切换的两个交流电源先片刻并联或瞬时并联在网络上，接着被替换的电源迅速脱离最终完成了电源不中断转换。这方法彻底颠覆了此前所有飞机电源转换时先断开连接在网络上的电源然后再接上需要连接的电源方式即电源间断切换方式BPT（Break Power Transfer）方式，最终A330飞机在IDG发电机上实现了不间断电源转换，也就是NBPT（NO Break Power Transfer）。这可以说这是一个大胆并且反常规的思维模式：就是你既然不允许飞机交流电源并联供电，还要求电源切换时网络电源不得出现中断情况。那你总得让我把接入和断开的两交电源在同一汇流条上把负载交接一下吧，并且保证并联时间不超出80毫秒也就是0.08秒以内，这既是一上一下的两交流电源在母线汇流条上并联供电的时间。另外在并联前对电压、频率、相位这三个参数进行了同步调节。控制两电源频率差小于1赫兹，电压差小于9伏，相位差15度以内。然后电源并接运行，在80毫秒内操作被切换电源分离，分离时两电源相位累积偏差控制在30度以内。因为两个115VAC电源相位差30度时造成的两电源电压差就已经达到57伏，已远远超出限制。虽然和标准要求：电压偏差在1%~5%之间，频率差在0.1Hz之内，相位差在5°~7°之间或者宽泛标准10~15°相比是超标的。但把并联时间控制在80毫秒以内，这最大电压57伏对网络能造成多大的冲击我们无法得知，相信空客公司将这一方案在A330飞机上实施前已经进行过大量的实验测试，并最终确立并联时间不超过80毫秒以及自行设定的并联前允许的频率、电压和相位偏离范围。也就是让这两个并联的电源在对网络系统造成明显冲击损害前就解除并联，让被接替的电源迅速脱离下来了。这就是空客目前针对IDG发电机实施的NBPT方案，这方案可以说是超标准、越规范、非常规的操作方案，关键是它能有效完成电源无缝、平滑过度，并在可见范围也看不到他给系统网络带来什么伤损。所有，目前在更安全、更平稳实现交流电源无间断切换的方法被开发出来前，还只能接受空客公司把两交流电源超短时超规范并联的神作。

接下来，还需要提出的是我们在地面实施NBPT电源转换时必须给出时间限制，不能无期限的任其实施运行，造成飞机在地面长时间等待的情况。也就是频率、电压、相位的同步调节必须在一定时间内完成并最终完成NBPT的实施。厂家对A330设定的时间是：在涉及到IDG电源转换时间是5秒内，APU与GPU之间的电源转换时间是15秒，这是因为CSD调速特性要比APU本体调速特性好得多。如果IDG在5秒内或者APU在15秒没有完成频率、电压、相序参数调节最终不能完成NDPT电源转换的要求，电源切换将进入到BPT(Break Power Transfer)有中断的电源转换的旧模式。

讲到这里我们已经明白了在A330上实施NBPT是超标准的也是有风险的，所以NBPT只能在地面实施，不能在空中使用。在地面NBPT仅在发动机发电机、APU GEN和EXT PWR启动和关闭期间运行。如下图十一。

NBPT的实施限制，表中已经给出，如在地面APU供电可以实施NBPT转换到IDG1,IDG2和EPA供电；APU供电不能和EPB实施NBPT转换。

另外，考虑到被替换的电源出现‘老赖’的情况，也就是80毫秒后还不肯脱离下来，最终出现实际意义上的非法并联，后果是可想而知的。针对此情况，这套系统里增设了无意并联脱开功能(INADVERTENT PARRLLELING TRIP)保护机制，此功能就是防止各种电源(IDG, APU, EXT PWR)之间出现持续并联。正常情况是两个不同的电源在交流母线上并联连接时间达到80毫秒前，ECMU就会断开对应的接触器(BTC, APU GLC, EPC)以消除并联。如果消除失败并联仍在持续，时间达到130毫秒，ECMU将断开第二级接触器。我们看图表十二第一行。

结合表来看一下地面APU供电转换为IDG1供电的NBPT过程。当网络由APU供电时，接通IDG 1电门，进入NBPT实施阶段：GCU向ECMU发出需求，ECMU根据目前网络上的电压、频率、相位提供基准值给GCU1，GCU1首先完成IDG前期同步工作，将频率、电压、相位值调节到符合并联要求（频率差值在0.5赫兹以内、电压调节到三项平均值115±5VAC，相位差值在15度内）后GLC1闭合，IDG1和APU GEN两电源并联，后续时间在80毫秒内BTC 1断开，完成NBPT程序。AC BUS 1由IDG1供电，AC BUS 2由APU GEN供电。如果80毫秒内BTC1没有断开，EMCU将会在130毫秒时控制APU GLC断开，AC BUS 1/2均由IDG1供电。

在地面当新电源电门接通之后，新接通的电源会调整频率、相位、电压值，与正在供电的电源参数差值达到一定要求，以满足并联供电条件。达到并联供电条件之后，两个电源进行并联供电，时间极短80毫秒以内，然后断开相应的BTC，两个电源分别对不同的汇流条进行供电，从而实现无中断电源转换。考虑到一些特殊情况，当一个IDG供电时，接通APU或者GPU电源，为了控制NBPT实施时长以及飞机对GPU控制的权限，此时IDG电源进行同步调整；APU单独供电时，接通GPU电源，APU电源进行同步调整。

如果我们直接对左发、右发、APU关车时都会触发NBPT。而直接关闭APU发电机开关、IDG开关、GPU开关都会触发BPT（有中断的电源转换）。

讲到这里，我们已经明确了飞机上各交流电源时不能并联给输出的，当两台或多台发电机在不应该并联的情况下意外并联时，会导致电流过大、电压不稳定等问题，进而触发保护装置跳闸，造成部分或全部电力供应中断。

明确了我们飞机电源不能并联给负载，为什么空客公司要实施并联两电源最终实现了电源无间断供电。其实严格意义上来讲我觉得这里不应该用并联这词，因为电源并联是为了让两台并联的发电机共同担负起网络负载，齐心协力的保证网络的安全和稳定，这里强调的是合作。而NBPT是一种利用超规范的手段完成电源切换，目的交接，是甩包袱。要求时间尽可能短，尽可能不要出现并联供电。这里应该用触碰或瞬连来描述应该更准确。